CC BY
8УДК 681.7.069.32
Влияние термических факторов на точностные характеристики датчика астроориентации
В.А. Лавренов, П.Н. Разживалов
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Датчики ориентации по звездам широко используются в космической технике [1, 2]. Современные датчики астроориентации располагаются вне гермоотсека, на поверхности космического аппарата (КА), и устанавливаются с помощью специального кронштейна. Точность некоторых приборов уже приближается к величине 1 угл.с. В связи с этим возникает вопрос о величине погрешности прибора астроориентации, имеющего такую точность, при воздействии термических факторов.
Цель настоящей работы - исследование влияния температуры системы обеспечения теплового режима (СОТР) КА на угловую погрешность датчика астроориентации. С этой целью разработана трехмерная модель астроприбора, компоновочная схема которого приведена на рисунке.
ч Объектив \ Кронштейн Компоновочная схема астроприбора
Прибор состоит из объектива, блока фотоприемного устройства (БФПУ), блока совмещающего функции управления и функции цифровой обработки (БУЦО).
При создании модели использовались следующие допущения:
- изменение температуры происходит в СОТР КА в диапазоне 20° ± 5° (диапазон температур выбран из условий работы СОТР);
- изменение температуры СОТР на 5° приводит к аналогичному изменению температуры на участке поверхности КА;
- температура установочной поверхности кронштейна равняется температуре на участке поверхности КА;
- начальная температура на посадочной поверхности кронштейна 20 °С.
Материал кронштейна и объектива - титан (коэффициент теплового расширения КТР = 8 • 10-6 1/К, в диапазоне температур от -20 до +100 °С, теплопроводность 9,6 Вт/м2 • К). Так как температура изменяется в некотором диапазоне, то возможны два случая: ее снижение или рост на 5 °С. В обоих случаях изменение температуры влияет только на направление деформации кронштейна, а угловая погрешность будет иметь одинаковую величину. Моделировалась ситуация с повышением температуры. Моделирование проводилось в три этапа в диапазоне температуры от 20 до 25 °С на установочной поверхности кронштейна.
© В.А. Лавренов, П.Н. Разживалов, 22013
Краткие сообщения
1-й этап - создание трехмерной модели астроприбора. Модель создавалась на основе компоновочной схемы в среде САПР SolidWorks [3]. Вначале эскизно обрисовывался профиль каждого отдельного компонента прибора, затем профиль преобразовывался в твердотельный элемент. Далее твердотельным элементам присваивалась определенная марка материала и производилась совместная сборка.
2-й этап - задание начальных условий. Начальная температура на установочной поверхности кронштейна 20 °С. Предположим, что температура повышается в течение 20 мин (1200 c) с шагом 1° в 4 мин и достигает значения 25 °С, что связано с режимом работы съемочной аппаратуры на борту КА. Тогда на кронштейне возникает по оси Y перепад температуры в 2 °С - 25 °С на установочной поверхности и 23 °С - на дальней (см. рисунок). При таком перепаде кронштейн начнет деформироваться. Наибольшие угловые погрешности у астроприбора будут возникать при деформации в кронштейне по направлению оси Z.
3-й этап - исследование термической деформации конструкции. Используя результаты, полученные на предыдущем этапе, найдем угловую погрешность 9 по оси Z. Учитывая, что материал кронштейна - титан, его толщина 60 мм, получим величину термической деформации
кронштейна: Д = (8 • 10_6) • 2 (60 • 10_3) = 0,96 • 10_6 м = 0,96 мкм .
Полученный расчетным путем результат, подтверждается трехмерной моделью звездного прибора.
Угловая погрешность 9 астродатчика определяется из уравнения [4]
_ _ Д 0,96 • 10_6 1Л_3
tg9 = 9= —= —-- = 0,002 • 10 3 рад,
l 350-10_3
180
9 = 0,002-10_3 ---3600= 0,4 угл.с.
п
В результате термической деформации кронштейна угловая погрешность прибора астроориентации составляет 0,4 угл.с. Для датчиков, точностные характеристики которых приближаются к величине 1 угл.с, данная погрешность является допустимой.
Литература
1. Дятлов С.Я., Бессонов Р.В. Обзор звездных датчиков ориентации космических аппаратов // Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов: сб. науч. тр. РАН. - Вып. 1. - М.: ИКИ РАН, 2009. - С. 11-32.
2. Разживалов П.Н. Тенденции и перспектива разработок датчиков ориентации по звездам // Мат. науч. конф. «Зеленоград - Космосу». Зеленоград, 30 сентября 2011 г. - М.: Изд-во МНТОРЭС им. А.С. Попова, филиал ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогрес» - НПП «ОПТЭКС», 2011. - С. 124-127.
3. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А.А. Алямовский и др. - СПб.: БХВ - Петербург, 2005. - 800 с.
4. Федосов И.В. Геометрическая оптика. - Саратов: Изд-во «Сателлит», 2008. - 92 c.
Поступило 23 марта 2012 г.
Разживалов Павел Николаевич - аспирант кафедры микроэлектроники (МЭ) МИЭТ. Область научных интересов: проектирование и моделирование аппаратуры дистанционного зондирования Земли, ее прочностной и тепловой анализы. E-mail: razzhivalovpavel@gmail.com
Лавренов Владимир Александрович - аспирант кафедры МЭ МИЭТ. Область научных интересов: проектирование и моделирование аппаратуры дистанционного зондирования Земли, ее тепловой анализ.
